泵类CFD仿真计算技术交流-20140611

泵类CFD仿真计算技术交流技术工程师：白长安Email：baica@Mobile目背景实施方案介绍齿轮泵及离心泵CFD分析案例Pumplinx多物理场耦合分析案例项目实施保障2交流内容3项目背景中航工业商发（简称商发）所用双级泵为离心泵和外啮合齿轮泵的组合。其中外啮合齿轮泵进出口压力差达13Mpa。驱动及支撑齿轮泵运转的轴承的强度和使用寿命成为商发较为关注的性能指标。商发同时关注离心泵及齿轮泵的流场性能指标。比如在各工况点下的轴功率、效率等曲线组图；空化发生的工况条件，位置，程度；各工况下的压力、速度、空化分布，是否有局部损失区域或是设计不合理区域。项目背景实施方案介绍齿轮泵及离心泵CFD分析案例Pumplinx多物理场耦合分析案例项目实施保障4交流内容项目中商发提供离心泵的三维模型和分析工况，工况数据包括离心泵的转速、进口压力、出口流量；另外，商发还需提供流动介质的物性。海基根据离心泵的三维模型进行适当修改，建立仿真分析模型，利用Pumplinx软件根据工况数据对模型进行仿真分析。海基根据仿真结果，提供离心泵的仿真模型，离心泵各个工况下的流场速度分布云图、流场静压分布云图、扬程-流量曲线、效率-流量曲线以及离心泵发生空化的工况条件、位置、程度，从上述结果分析离心泵的性能是否达到要求。5实施方案：1离心泵性能和流场的CFD仿真分析项目中商发提供燃油泵的三维模型和分析工况，工况数据包括机燃油泵的转速、进口压力、出口压力。海基根据燃油泵的三维模型进行适当修改，建立仿真分析模型，模型中可以考虑燃油泵与封盖的缝隙，并利用Pumplinx软件对模型进行仿真分析。海基根据仿真结果，提供燃油泵各个工况下的流场静压分布云图、流量以及燃油泵发生空化的位置和程度，从上述结果分析燃油泵的性能是否达到要求。同时提供燃油泵齿轮表面的压力分布，以便后续对齿轮泵进行力学分析。6实施方案：2.燃油泵性能和流场的CFD仿真分析根据流体计算的结果，提取出分布在结构表面的流场压力载荷。将该压力载荷作为结构分析的边界条件之一，并结合齿轮泵的其它力学边界条件求解齿轮泵在给定工况下的力学响应。计算过程中提取齿轮泵在给定工况下各处的应力、应变、变形等云图数据以及主要接触部位的接触压力，接触应力等相关数据。根据结构力学仿真结果，评估齿轮泵的强度是否符合要求，并从力学角度提出合理的优化意见。7实施方案：3.基于流场的结果进行齿轮泵结构强度计算分析根据齿轮泵的运动规律，分析并获得齿轮泵在工作条件下其重点部位的载荷谱情况，结合齿轮泵在一个循环周期内的应力情况及相关材料的S-N曲线来计算齿轮泵相关部位的疲劳寿命分布。根据疲劳寿命的分析结构，评估齿轮泵的寿命是否符合要求。8实施方案：4.基于强度计算的结果进行齿轮泵疲劳寿命计算分析项目背景实施方案介绍齿轮泵及离心泵CFD分析案例Pumplinx多物理场耦合分析案例项目实施保障9交流内容PumpLinx是美国Simerics公司特别针对泵阀及其他旋转机械的CFD数值模拟而开发的一款专业CFD软件。总部：美国，西雅图中国：海基科技是唯一代理商PumpLinx软件11流体系统:部件级泵,阀，流体管道，其他（过滤用多孔介质）流体系统:系统级油道系统,冷却系统，曲轴箱通风系统等汽车外流整车外流.前舱引擎外流特殊应用轴承,VVT-可变气门正时系统,齿轮箱,液力变矩器,曲轴通风PumpLinx应用领域PumpLinx技术优势作为专业的泵阀以及其他旋转机械CFD模拟软件，目的是成为泵阀行业工程师最得力的CFD模拟工具。丰富的泵阀模板独特的网格生成独一无二的全空化模型计算稳定、快速13油泵CFD分析展示（定量泵和变量泵）各类泵结构均较为复杂，部分区域涉及微小间隙，划分高质量网格存在难度对网格质量要求高泵、阀空化与汽蚀效应，计算收敛性差，精度难以保证振动与噪声—空化效应、压力波动计算速度受限，不便获取工作特性曲线阀门与被控对象的匹配性—联合仿真系统级三维CFD仿真需求日益凸显变排量齿轮泵模拟仿真关键技术问题与关注点容积式转子泵在流体系统里通常是与阀门（球形阀、柱形阀等）协同工作，阀门对泵进行配流、调压和过载保护等；特点：相互影响、耦合性强；应用范围广：汽车发动机、航天、船用柴油机、飞机发动机及液压行业的各种油路系统。实例一转子泵、阀联合仿真摆线泵装配爆炸图12进出段流道旋转部件带有阀门的机油泵模型阀门开启时附近的流动状况齿腔内的空化状况不同转速下，有无阀门对流量的影响ParameterValueRPM2900InletPressure0PSIGFlowRate0-20LPSDissolvedAir1%FluidWater计算条件实例二离心泵离心泵性能参数计算结果与实验数据的对比实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化外齿轮泵装配爆炸图保留泵的主要部件提取流体域12进出端旋转部件模拟界面网格实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化压力分布空化区域实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化平均流量随转速的变化流量脉动及平均流量实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化根据实验及计算结果，工程师对该泵进行了结构优化，以提高泵在高转速高压力下的容积效率。改进后改进前改进后实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化改进前改进后空化区域对比改型后，泵的容积效率由88.90%提升到94.87%，且计算与实验的误差在2%以内实例三外齿轮泵—流量特性及结构优化项目背景实施方案介绍齿轮泵及离心泵CFD分析案例Pumplinx多物理场耦合分析案例项目实施保障27交流内容28Pumplinx与电磁软件耦合A—电磁阀进气口；B、C—电磁阀出气口；D、E—电磁阀排气口；F—电磁阀阀体；G—电磁阀线圈；H—电磁阀阀芯；电压激励29Pumplinx与电磁软件耦合电磁仿真：磁密云图通电线圈作用下阀芯位移随时间的运动规律30CFD仿真——边界条件设置阀面——dynamic出口Outlet：1.5bar入口Inlet：2bar排油口Outlet：1bar控制阀面运动的表达式31CFD仿真——后处理阀门运动规律阀面受力规律压力云图32CFD仿真——后处理入口质量流量排油口质量流量出口质量流量Pumplinx与声学软件耦合CAD模型CFD网格流体计算流体声源CAD模型声学网格声学计算计算结果流体分析噪声分析CAD模型模态分析模态试验传感器布置振动、噪声测试反馈优化ICFD转换Pumplinx与声学软件耦合研究对象34泵体几何模型流体域几何模型研究模型为10齿的外啮合齿轮泵，计算工况中转速为6000RPMPumplinx与声学软件耦合CFD结果云图(瞬态)35油泵流体域压力分布云图流体域密度分布云图流体域Y速度分布云图基于CAE分析的振动噪声解决方案CFD软件湍流CFD模拟基本变量压强,速度,密度,……iCFD将

CFD

基本量转换为声源

将声源插值入声学网格

执行傅里叶转换ACTRANAero-Acoustics

计算

iCFD得到声源的传播

导出预设场点的声场云图和声压值ACTRAN/VIACTRAN结果的后处理从

CFD结果到声学结果...声学分析流程Pumplinx与声学软件耦合声学模型37声学模型包括：内部油液区、泵体、外部空气域；对计算区域进行网格划分，在划分网格时，网格大小满足每声波波长至少6个线性网格单元要求，即：

Pumplinx与声学软件耦合声压分布云图38Pumplinx与声学软件耦合泵体结构振动位移39Pumplinx与声学软件耦合仿真值与实验对比曲线40考虑到实验本身也有误差，Actran仿真得到数据与实验数据吻合较好；2000Hz和2600Hz实验值与仿真值差距较大，其他频段基本吻合；1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz为啮合频率及其倍频，Actran能精确仿真旋转机械离散噪声。41Pumplinx与结构软件耦合CFD软件湍流CFD模拟基本变量齿轮面压力流固单向耦合分析流程CAE软件结构模拟分析输出力施加42Pumplinx与结构软件耦合0时刻1/3时刻2/3时刻输出不同时刻齿轮面压力压力坐标项目背景实施方案介绍齿轮泵及离心泵CFD分析案例Pumplinx多物理场耦合分析案例项目实施保障43交流内容44项目实施团队团队成员简介隋洪涛博士海基科技副总经理，具有十五年以上CAE仿真经验。曾主持完成了航空、航天、汽车、船舶、能源领域等工程咨询项目一百多项,曾参与完成国家自然科学基金、航空基金各一项，有十二篇论文在国内外发表；出版专著《精通CFD动网格工程仿真与案例实战》。黄宏艳博士海基科技副总经理，具备10年以上的CAE仿真工程经验。毕业于北航热能工程专业，熟练运用Flowmaster、Fluent、MpCCI等商用软件模拟热流体系统。在具体咨询项目中，先后担任一汽技术中心、中广核、中国商飞、核动力院等单位咨询项目的技术负责人。李奇博士海基科技副总经理兼技术总监，毕业于瑞典皇家工学院航空与车辆工程学院MWL实验室，具有十年以上声学仿真经验，创建了海基科技声学事业部。领衔完成大飞机专项壁板、环控系统、增升装置噪声、核电站声共振、主控制室等声学课题。李吉

硕士海基嘉盛仿真工程部经理，具备10年以上仿真分析经验。毕业于北京航空航天大学传热传质专业，能够熟练运用Flowmaster、CFX、PumpLinx、EDEM、Barracuda等软件模拟热管理、航空流体系统及部件。富奥汽车零部件有限公司外齿轮泵仿真及优化设计东风泵业变排量滑片泵多工况数值仿真石家庄强大泵业双吸离心泵P-Q性能及汽蚀余量预测及验证东方电机大型离心泵P-Q性能及效率性能预测及验证佳木斯电机高温泵P-Q性能及效率性能预测及验证丹东克隆集团磁力泵P-Q曲线及效率性能预测湖南机油泵变排量滑片泵多工况数值仿真验证贵阳红林有限公司（143）高空离心泵汽蚀性能预测及验证重庆红宇精密工业有限公司摆线泵-外齿轮泵容积效率及流量脉动预测及验证西安113厂三级摆线泵性能预测及验证西安113厂三级外齿轮泵性能预测及验证北京长空机械厂（503）液环泵容积效率及空化性能预测及验证中国航天一院一部气动阀门非定常特性预测及分析中国一汽集团曲轴箱通风系统性能预测中船重工第701研究所螺旋桨水动力性能预测及验证中船重工第705研究所新型燃油柱塞泵容积效率及压力波动性能预测及验证北方车辆研究所（201）液压泵马达系统性能预测45泵类CFD咨询项目展示